Karburizacija (anglinimas): procesas, metodai ir taikymai

Karburizacija (anglinimas) – išsamus procesas, metodai ir taikymai: kaip anglinimas sustiprina plieno paviršių, kietina jį ir didina atsparumą dilimui.

Karburizacija (dažnai dar vadinama anglinimu) yra terminis cheminis procesas, kurio metu į metalą difuzijos būdu įterpiama arba padidinamas paviršinio sluoksnio anglies kiekis. Procesas atliekamas siekiant, kad metalo paviršius taptų kietesnis, padidėtų atsparumas dilimui. Karburizacija leidžia išgauti kietą, dėvimą paviršinį sluoksnį (case) ir išlaikyti atsparų smūgiams, taikomesnį vidinį branduolį (core).

Kas vyksta procesu metu

Karburizacijos metu darbinis temperatūros intervalas paprastai yra aukštesnis už akytinio kietėjimo ribą, kad metalas taptų austenitu (atsižvelgiant į plieno tipą, dažniausiai ~850–950 °C). Esant šioms temperatūroms, anglis iš išorinio šaltinio difunduojasi į metalo paviršiaus sluoksnį. Po įanglinimo dažniausiai atliekamas greitas atšaldymas (griovimas, angl. quenching), kad paviršius virstų martensitu — labai kietu sluoksniu; vėliau gali būti taikomas atkaitinimas (temperavimas) vidinio įtempimų sumažinimui ir geresniam atsparumui lūžti.

Dažniausiai naudojami metodai

• Dujuota karburizacija (gas carburizing) – metalo detalės kaitinamos reaktoriuje, kuriame cirkuliuoja anglies turinčios dujos (pvz., anglies dioksidas, metanas arba mišinių pavidalu). Kontroliuojamas anglies potencialas leidžia reguliuoti įanglinimo greitį ir sluoksnio gylį.
• Pakuotinė karburizacija (pack carburizing) – detalės supakuojamos kartu su anglies turinčiu milteliu arba kietu priedu ir kaitinamos; anglį suteikia kietas karbonačių arba organinės medžiagos. Tai senesnis, bet paprastas metodas.
• Skysto bako (salt bath) karburizacija – naudojamos ištirpintos anglies turinčios druskos (kartais cianidinės druskos). Duoda greitą difuziją, bet sukelia aplinkos ir saugumo problemų.
• Plazminė (joninė) karburizacija – atliekama naudojant plazmą vakuume arba žemo slėgio sąlygomis; leidžia dirbti žemesnėse temperatūrose ir suteikia geresnį sluoksnio valdymą bei mažesnį deformacijos lygį.
• Vakuminė arba žemo slėgio karburizacija (LPC) – anglies šaltinis tiekiamas žemo slėgio sąlygomis, proceso efektyvumas ir homogenumas padidėja, mažėja oksidacijos ir blizgių problemų.

Proceso parametrai ir kontrolė

• Temperatūra: paprastai 850–950 °C, priklauso nuo plieno rūšies.
• Laikas: nuo kelių minučių iki daugiau valandų — priklauso nuo norimo paviršiaus sluoksnio gylio (case depth) ir medžiagos. Kelių dešimtųjų milimetrų sluoksniui gali užtekti valandų; didesniems sluoksniams — dešimčių valandų.
• Anglies potencialas: dujų karburizacijoje reguliuojamas maišant dujas, siekiant kontroliuoti difuziją ir galutinį anglies kiekį.
• Po apdirbimo operacijos: greitas atšaldymas (quenching) ir temperavimas, kad būtų pasiekta norima kietumo ir atsparumo savybių pusiausvyra.

Microstruktūra ir mechaninės savybės

Po karburizacijos ir quench proceso paviršiuje susidaro kietas martensitinis sluoksnis su padidintu anglies kiekiu — tai suteikia didelį paviršiaus kietumą ir gerą dilimo atsparumą. Po quench ir temperavimo vidinis branduolys išlieka mažesnio kietumo, bet didesnio atsparumo smūgiams, todėl detalė nebus trapiai lūžtanti.

Taikymai

Karburizacija plačiai naudojama gamyboje, kur reikalingas dėvimasis ir atsparus paviršius kartu su tvirtu branduoliu. Tipinės taikymo sritys:

• pavarų krumpliai, diferencialai, sankabos komponentai;
• velenai, kaiščiai, velenėliai ir kitos sukimosi dalys;
• guoliai, krumpliaračiai, velenų iškylos;
• kai kurios varžtų, smeigių ir kitų pritvirtinimo elementų rūšys.

Privalumai ir trūkumai

• Privalumai: leidžia derinti aukštą paviršiaus kietumą su tvirtu, mažiau kietu branduoliu; geras dilimo atsparumas; efektyvus ekonomiškai masinei gamybai.
• Trūkumai: procesas vyksta aukštoje temperatūroje, todėl gali kilti dalinė deformacija; netinkamas anglies kiekis gali sukelti paviršiaus trapumą; kai kurie metodai (pvz., cianidinės druskos) kelia didelį aplinkos ir saugos pavojų.

Saugumas, aplinka ir alternatyvos

Kai kurie tradiciniai metodai (pakuotės su organinėmis medžiagomis, cianidinės druskos) kelia didelį pavojų darbuotojų sveikatai ir aplinkai. Todėl pramonėje vis labiau diegiami vakuuminiai, žemo slėgio ir plazminiai metodai, kurie sumažina kenksmingų emisijų kiekį ir leidžia geriau kontroliuoti procesą. Nitridinimas ir nitrokarburizacija yra alternatyvos, kurios formuoja kietus paviršius be didelio anglies įterpimo, tačiau turi skirtingas savybes ir taikymo sritis.

Dažnos problemos ir priežiūra

Per didelė arba netolygiai paskirstyta anglies koncentracija gali lemti paviršiaus įtrūkimus ar trapumą. Priešingai, dekarbonizacija (anglies netekimas dėl sąlygų, pvz., netinkamo terminio apdorojimo ar rūgšties/atvirų sąlygų) sumažina paviršiaus kietumą ir mažina atsparumą dilimui — tai nepageidaujama.

Po karburizacijos atliekami veiksmai

• Quench (griovimas) — greitas atšaldymas, kad susidarytų martensitas paviršiuje.
• Temperavimas — atliekamas norint sumažinti įtampas ir padidinti atsparumą lūžiui.
• Galimas paviršiaus apdorojimas, šlifavimas ar apdirbimas, kad būtų pasiektas reikiamas matmenų tikslumas ir paviršiaus kokybė.

Apibendrinant, karburizacija yra efektyvus būdas pagerinti mažai legiruoto plieno paviršiaus savybes, tačiau reikalauja tinkamos proceso kontrolės, medžiagų parinkimo ir saugos priemonių, kad būtų išvengta deformacijų, trapumo arba aplinkos taršos.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra karburizacija?

K: Kodėl atliekamas anglinimas?

K: Kaip karburizacija buvo atliekama anksčiau?

K: Kokie šiuolaikiniai įanglinimo būdai naudojami?

K: Kokią įtaką karburizacijai turi laikas ir temperatūra?

K: Kokių rūšių metalai dažniausiai naudojami anglinimui?

K.: Kas atsitinka, jei anglies koncentracija metale karburizacijos metu tampa per didelė?

Paieška pagal raidę